基于元胞自動(dòng)機(jī)的郵輪碼頭應(yīng)急疏散策略研究

（武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院 武漢 430063）

0 引 言

郵輪碼頭在建設(shè)和運(yùn)營中可能發(fā)生的災(zāi)害主要分為自然災(zāi)害與人為災(zāi)害．自然災(zāi)害包括臺風(fēng)、海嘯等；人為災(zāi)害包括火災(zāi)、爆炸、工程事故等，而突發(fā)災(zāi)害對郵輪碼頭旅客生命財(cái)產(chǎn)安全的影響是不可估量的．交通部頒布的《港口安全評價(jià)管理辦法》第十五條中明確指出：客運(yùn)碼頭應(yīng)制定重大生產(chǎn)安全事故的旅客應(yīng)急疏散和救援預(yù)案，保障旅客安全．因此，加強(qiáng)郵輪碼頭安全管理，通過研究郵輪碼頭緊急事故后的旅客疏散行為，提高系統(tǒng)對突發(fā)事件的緊急預(yù)警防護(hù)能力已經(jīng)成為各方面廣泛關(guān)注的議題［1］．

國外學(xué)者 Helbing［2－3］等人用社會力模型模擬疏散過程中擁擠、堵塞、快即是慢等現(xiàn)象，但連續(xù)性模型運(yùn)行速度慢．國內(nèi)學(xué)者范維澄［4］等人在Helbing工作的基礎(chǔ)上，利用社會力模型描述人員疏散中，門的寬度與墻的厚度等對人員疏散的影響，但局限于走道、人行道等領(lǐng)域．本文通過量化三種力的運(yùn)算規(guī)則，提出了一種二維元胞自動(dòng)機(jī)擴(kuò)展模型，將其應(yīng)用于郵輪碼頭進(jìn)而進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并提供合理性疏散策略，擴(kuò)展了元胞自動(dòng)機(jī)離散模型應(yīng)用領(lǐng)域．

1 郵輪碼頭應(yīng)急疏散系統(tǒng)搭建

1.1 郵輪碼頭平面布置

郵輪碼頭中基礎(chǔ)設(shè)施和輔助設(shè)備眾多，將郵輪碼頭分為以下幾個(gè)區(qū)域：

1）登錄區(qū) 主要設(shè)備包括郵輪停靠的泊位，以及登陸郵輪或者離開郵輪的舷梯．

2）客運(yùn)聯(lián)檢區(qū) 主要包括售票處、郵輪辦公區(qū)、游客候船區(qū)、行李托運(yùn)等．

3）輔助設(shè)施區(qū) 停車場、餐飲場地等．

4）商業(yè)區(qū) 休閑、酒店配套設(shè)施等．

5）門廳 主入口門廳、次入口門廳、辦公室門廳、貴賓門廳、展覽門廳等．

1.2 郵輪碼頭應(yīng)急疏散系統(tǒng)構(gòu)成

郵輪碼頭應(yīng)急疏散系統(tǒng)由應(yīng)急疏散控制中心調(diào)控，主要有應(yīng)急疏散通道、應(yīng)急裝備（包括應(yīng)急燈、滅火器、疏散廣播等）、應(yīng)急警報(bào)系統(tǒng)、應(yīng)急疏散輔助人員、應(yīng)急疏散控制中心、應(yīng)急疏散標(biāo)示符等幾部分組成．其應(yīng)急疏散系統(tǒng)構(gòu)成見圖1．

2 郵輪碼頭應(yīng)急疏散的元胞自動(dòng)機(jī)模型建立

2.1 模型的提出

針對郵輪碼頭面積大，人流擁擠，內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則的特點(diǎn)，因此，采用von Neumann型鄰域確定人員可能的運(yùn)動(dòng)方向，并將碼頭進(jìn)行平面的網(wǎng)格劃分，而每個(gè)元胞尺寸對應(yīng)真實(shí)人員的占據(jù)面積，即0．5m×0．5m．但由于有疏散口的存在，即人員逃生過程中會出現(xiàn)有偏行走現(xiàn)象，故大部分人會選擇放棄背離門的方向行走而選擇其他3個(gè)方向行走，見圖2．

圖1 應(yīng)急疏散模型

圖2 元胞von Neumann型鄰域：模型中人員可能的運(yùn)動(dòng)方向

2.2 模型規(guī)則的確定

模型中引入智能性局部規(guī)則，并采用異步更新原則，具體規(guī)則為：郵輪碼頭應(yīng)急疏散模型初始化時(shí)，根據(jù)疏散口對每個(gè)元胞具有吸引力來初步確定每個(gè)元胞的初始逃逸路線；即各個(gè)元胞根據(jù)“L”形或“T”形的逃逸規(guī)則，選擇下一目標(biāo)格點(diǎn)．

郵輪碼頭應(yīng)急疏散模型中，2個(gè)或2個(gè)以上的元胞競爭同一格點(diǎn)而產(chǎn)生沖突時(shí)，通過考慮各元胞之間的摩擦力來修正元胞的逃逸路線，即摩擦力概率大的進(jìn)入該目標(biāo)格點(diǎn)，其他的以一定概率原地不動(dòng)或其他兩個(gè)方向有偏行走．

鑒于考慮每個(gè)元胞屬性不同（即男、女、老人或小孩及殘疾等），故存在4種不同的逃逸速度，則各個(gè)元胞移動(dòng)到下一目標(biāo)格點(diǎn)的時(shí)間步亦不完全相同，因此，可稱為異步．

考慮到郵輪碼頭模型的隨機(jī)性和慢化問題，應(yīng)用隨機(jī)流數(shù)據(jù)、一定總數(shù)各元胞隨機(jī)概率分布于各個(gè)格點(diǎn)，每次各個(gè)元胞的位置、屬性都不會完全相同．模型的慢化概率為5%．

2.3 模型的離散化

1）吸引力確定模型目標(biāo) 考慮到郵輪碼頭旅客堵塞，建筑內(nèi)部疏散口一般較多，而通常元胞需要尋找最佳的疏散口作為目標(biāo)，主要體現(xiàn)為吸引力，故暫時(shí)忽略人與人之間的群體行為導(dǎo)致的相互吸引力．

在郵輪碼頭的緊急疏散過程中，人員的最終目標(biāo)就是多個(gè)疏散口中最近的疏散口，但人員的下一目標(biāo)就是選擇自認(rèn)為趨向于最優(yōu)的格點(diǎn)，并不斷通過連接最優(yōu)格點(diǎn)，確定出每個(gè)人員的最佳逃逸路徑．以最近的疏散口為最終目標(biāo)格點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)人員到各個(gè)疏散口的距離，并通過比較取距離的最小值，其最小距離為

式 中：（Xi，Yi）為 第i 個(gè) 元 胞 的 坐 標(biāo) 值；min（Dn（Xi，Yi））為第i個(gè)元胞距n 個(gè)疏散口中最短的距離值；（Xj（out），Yj（out））為第j個(gè)疏散口的坐標(biāo)值．

郵輪碼頭模型內(nèi)部引入動(dòng)力場包括摩擦力和排斥力，主要是為了修正和優(yōu)化人員逃逸路線，分別對其進(jìn)行離散量化．

2）摩擦力量化 在郵輪碼頭聯(lián)檢大樓中，聚集著大量擁擠的行人，摩擦力通常表現(xiàn)為人與墻壁或障礙物、人與人直接接觸時(shí)的減速行為．同時(shí)，為了定量描述摩擦力，引入摩擦力概率．

式中：vi為4種不同類型的人具有的不同速度；θi為速度比例因子即摩擦力對速度的影響因子．（此處摩擦力為單位向量，故θi∈（0，1／vi））

3）排斥力量化 郵輪碼頭聯(lián)檢大樓中，突發(fā)緊急情況，如火災(zāi)、暴力、恐怖襲擊等．排斥力主要表現(xiàn)為人員逃離危險(xiǎn)源，為了定量描述排斥力，引入排斥力概率，考慮人的躲避行為是神經(jīng)系統(tǒng)的一種反應(yīng)，故引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中普遍采用的Sigmoid函數(shù)［5－6］來描述排斥概率，為

式中：α∈（0，∞）為危險(xiǎn)源的危險(xiǎn)度系數(shù)，依賴于逃逸人員對危險(xiǎn)源的感知、承受極限；λi為不同類型的人以一定的概率保持原地不動(dòng)．

3 仿真試驗(yàn)

在一、二2種工況（見表1）下，進(jìn)行多次仿真實(shí)驗(yàn)，其疏散口寬度與疏散時(shí)間關(guān)系見圖3．

圖3 疏散口寬度對應(yīng)疏散時(shí)間關(guān)系

表1 仿真試驗(yàn)3種不同工況

在工況三下，通過多次仿真實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)郵輪碼頭內(nèi)部行人4種速度對應(yīng)疏散時(shí)間的關(guān)系見圖4．

圖4 疏散速度對應(yīng)疏散時(shí)間關(guān)系

郵輪碼頭總面積不變情況下，由圖3可見，隨著聯(lián)檢區(qū)域的疏散口寬度逐步增加，疏散時(shí)間呈現(xiàn)遞減趨勢，但疏散口寬度大于3m，則其對疏散時(shí)間的影響不明顯，因此，存在最佳疏散寬度，且其值d ∈（2．2，3．0）m．同時(shí)，可見當(dāng)人口密度小于或等于0．5時(shí)，疏散口的個(gè)數(shù)及寬度對疏散時(shí)間影響不顯著．由圖4可見，在疏散口寬度為2．5 m情況下，人員的速度越大則疏散時(shí)間越短，但速度達(dá)到一定值時(shí)（稱此值為期望值），反而制約著疏散效率．并很難實(shí)現(xiàn)一一進(jìn)行定量的描述和計(jì)算．根據(jù)不同工況下仿真模型試驗(yàn)，其結(jié)果表明：

1）郵輪碼頭建筑面積在20 000m2大范圍內(nèi)，人口分布密度ρ≥0．5，考慮建筑設(shè)計(jì)成本，建議疏散口個(gè)數(shù)n∈（4，6）．

2）郵輪碼頭建筑面積在20 000大范圍內(nèi)，人口分布密度ρ≥0．5，建議疏散口的寬度d ∈（2．2，3．0）m．

3）郵輪碼頭在既定疏散口和疏散口寬度一定條件下，疏散速度達(dá)到期望值時(shí)，需要有效的緊急疏散標(biāo)識及疏散廣播來顯著提高疏散的效率和力度，能夠有效改善快即是慢的現(xiàn)象．

由于郵輪碼頭面積龐大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)及疏散過程復(fù)雜，各影響因素之間不是簡單的線性關(guān)系，為了更真實(shí)、更有效的模擬郵輪碼頭內(nèi)部人員實(shí)際疏散過程并提供合理性應(yīng)急策略，還需開展大量的實(shí)驗(yàn)研究．

4 結(jié)束語

郵輪碼頭人員緊急疏散過程中人與人、人與建筑物（包括墻、障礙物等）、人與疏散口之間的相互作用力異常復(fù)雜，涉及到人的行為特征、人群群體行為、環(huán)境特征、建筑物布局方式等諸多因素，

［1］趙道亮．緊急條件下人員疏散特殊行為的元胞自動(dòng)機(jī)模擬［D］．合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2007．

［2］Helbing D，F(xiàn)arkas I，Vicsek T．Simulating dynamical features of escape panic［J］．Nature，2000，407：487－489．

［3］Helbing D，Keltsch J，Molnar P．Moddlling the evolution of human trail systems［J］．Nature，1997，388：47－49．

［4］宋衛(wèi)國，于彥飛，范維澄，等．一種考慮摩擦與排斥的人員疏散元胞自動(dòng)機(jī)模型［J］．中國科學(xué)E，2005，35（7）：725－736．

［5］于彥飛．人員疏散的多作用力元胞自動(dòng)機(jī)模型研究［D］．合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2008．

［6］馬道遠(yuǎn)，沈成武．開放邊界的交通流元胞自動(dòng)機(jī)模型與交通量分析［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2002，26（2）：165－168．